Towards Fault-Tolerant Quantum Information Processing with Trapped Ions

Resumen

El Procesamiento Cuántico de la Información es un campo de investigación que busca utilizar las propiedades cuánticas que exhiben ciertos sistemas físicos para, entre otros, construir procesadores cuánticos que permitan la ejecución de algoritmos de forma más eficiente. Sin embargo, uno de los principales desafíos para la construcción de estos procesadores es que los sistemas cuánticos son muy sensibles al ruido. Las interacciones no deseadas con el entorno provocan errores que pueden llegar a corromper los resultados. Afortunadamente, la teoría de la computación cuántica tolerante a fallos establece que aun así es posible la realización de computación cuántica fiable si el ruido en el procesador cuántico no es demasiado elevado. La computación cuántica tolerante a fallos opera en qubits codificados en un código cuántico de corrección de errores. Circuitos de verificación de la paridad tolerantes a fallos permiten la detección de faltas en la información codificada, sin perturbar la información codificada, y sin que errores individuales en el circuito se propaguen de forma descontrolada. Así, garantizar el correcto funcionamiento de los circuitos de corrección cuántica de errores es crucial para lograr la tolerancia a fallos en los procesadores cuánticos sujetos a ruido. Esta tesis se desarrolla en torno al ruido presente en plataformas cuánticas de iones atrapados y aborda el problema del ruido desde diferentes perspectivas. Por un lado, se pretende hacer un estudio más detallado del ruido microscópico presente en las puertas de entrelazamiento, que son las que tienen ratios de error más elevados junto con el desarrollo de técnicas que permitan reducir esas ratios de error. Por otro lado, se presenta un método para certificar el correcto funcionamiento de circuitos de paridad. Todo ello bajo un marco de técnicas eficientes que puedan ser implementables en los procesadores cuánticos actuales. La tesis comienza con una introducción a la teoría del procesamiento cuántico de la información aplicada a las plataformas de iones atrapados y presenta un modelo detallado del ruido presente en las puertas light-shift de entrelazamiento, calculando de forma analítica la fidelidad de la puerta en términos de las distintas fuentes de error. Según se avanza en el contenido, se presenta el método de certificación de los circuitos de verificación de paridad, en términos de su capacidad para generar estados máximamente entrelazados. Presentamos una técnica basada en testigos de entrelazamiento que es eficiente y más robusta contra el ruido que métodos anteriores. Además, se muestran los resultados experimentales cuando este método de certificación se implementa en un procesador cuántico real de iones atrapados basado en la arquitectura de shuttling. La tesis concluye con un protocolo para revertir parcialmente el ruido debido al decaimiento de amplitud en puertas nativas de dos qubits con iones atrapados. El método se enmarca en las técnicas de corrección de errores probabilística y se inspira en técnicas de destilación de entrelazamiento con una sola copia. Para destilar entrelazamiento con una sola copia es necesario la construcción de "filtros" con ayuda de ayuda de medidas generalizadas y cona acceso a cierta información previa sobre el canal de ruido afectando a la unitaria. En esta tesis presentamos dos protocolos para implementar estas operaciones de filtrado en trampas de iones. Así, esta tesis hace una descripción más detalla del ruido presente en las puertas de entrelazamiento de las plataformas de iones, y presenta métodos eficientes para suprimir ciertos tipos de ruidos en la unitaria y protocolos de certificación de circuitos de varios qubits.